JP2017203645A - Torque sensor and force control type actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、トルクセンサ及び力制御型アクチュエータに関する。 The present disclosure relates to a torque sensor and a force control type actuator.
近年、力制御型のアクチュエータが様々な装置において用いられている。例えば、関節部に力制御型のアクチュエータを備え、当該関節部を介して複数のアームが接続されたロボットアームが知られている。力制御は、作業対象に対して加えるべき力の目標値を直接的に受け、その目標値に基づいてアクチュエータを駆動させる制御である。力制御において、出力トルクを正確に検出しフィードバックすることにより、人とのインタラクションに優れた柔軟で安全な動作の実現が可能になる。 In recent years, force control type actuators are used in various apparatuses. For example, a robot arm is known in which a force control type actuator is provided at a joint and a plurality of arms are connected via the joint. Force control is control that directly receives a target value of a force to be applied to a work target and drives an actuator based on the target value. In force control, by accurately detecting and feeding back the output torque, it is possible to realize a flexible and safe operation excellent in human interaction.
特許文献1には、軸方向一端に駆動力が入力され、軸方向他端に負荷が入力されて、駆動側と負荷側との間で捩れを伴いながらトルクを伝達する起歪部に作用するトルクを検出するトルクセンサが開示されている。特許文献1には、かかるトルクセンサの一態様として、円筒状の起歪部の内周面に、起歪部に対するトルク入力によって起歪部に生じる捩れに対応する二方向の歪みを検出する姿勢でシート状の歪ゲージが貼付されたトルクセンサが開示されている。 In Patent Document 1, a driving force is input to one end in the axial direction, a load is input to the other end in the axial direction, and acts on a strain generating portion that transmits torque while being twisted between the driving side and the load side. A torque sensor for detecting torque is disclosed. In Patent Document 1, as one aspect of such a torque sensor, an attitude for detecting a bi-directional strain corresponding to a twist generated in a strain generating portion by torque input to the strain generating portion on an inner peripheral surface of a cylindrical strain generating portion. A torque sensor having a sheet-like strain gauge attached thereto is disclosed.
しかし、特許文献1に記載されたトルクセンサにおいて、歪ゲージが貼付される円筒状の起歪部に生じる歪みは微小である。上記トルクセンサでは、かかる歪みを検出するために、歪ゲージは、長手方向が起歪部の軸方向に沿うように配置されている。このため、起歪部の軸方向長さがある程度長くならざるを得なかった。したがって、トルクセンサを備えた力制御型アクチュエータを小型化することに限界があった。 However, in the torque sensor described in Patent Document 1, the strain generated in the cylindrical strain generating portion to which the strain gauge is attached is very small. In the torque sensor, in order to detect such strain, the strain gauge is arranged so that the longitudinal direction thereof is along the axial direction of the strain-generating portion. For this reason, the axial direction length of the strain generating part has to be increased to some extent. Therefore, there is a limit to downsizing the force control type actuator provided with the torque sensor.
なお、特許文献1に記載されたトルクセンサは、歪検出部を利用した回転数計を併せて備えており、当該回転数計に用いられる歪検出部は、起歪部の内周面のうち軸心を中心として互いに対称の位置にある部位同士を連結する支持壁に取り付けられ得る。しかし、かかる歪検出部は、軸方向の幅(厚さ)が比較的小さい支持壁の一方の面に、長手方向が径方向に沿うように取り付けられて、支持壁の径方向の歪みを検出するものであり、当該歪検出部を用いてトルクを精度よく検出することは困難である。 Note that the torque sensor described in Patent Document 1 is also provided with a tachometer using a strain detecting unit, and the strain detecting unit used for the tachometer is included in the inner peripheral surface of the strain generating unit. It can be attached to a support wall that connects sites that are symmetrical to each other about the axis. However, the strain detection unit is attached to one surface of the support wall having a relatively small axial width (thickness) so that the longitudinal direction is along the radial direction, and detects the radial strain of the support wall. Therefore, it is difficult to accurately detect the torque using the strain detector.
そこで、本開示では、小型化され、かつ、トルクを精度よく検出可能な、新規かつ改良されたトルクセンサ及び力制御型アクチュエータを提案する。 Therefore, the present disclosure proposes a new and improved torque sensor and force control type actuator that are downsized and capable of accurately detecting torque.
本開示によれば、入力軸の回りに軸回転可能な第1の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第2の回転体と、第1の回転体と第2の回転体とに渡って設けられ、入力軸に平行な第1の方向の一方側を向く第1の面、及び、第1の方向の他方側を向く第2の面を有し、第1の回転体及び第2の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、第1の面及び第2の面にそれぞれ設けられて起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、を備えた、トルクセンサが提供される。 According to the present disclosure, the first rotating body that can rotate about the input shaft, the second rotating body that can rotate about the output shaft, the first rotating body, and the second rotating body, A first surface facing one side of the first direction parallel to the input shaft and a second surface facing the other side of the first direction, the first rotating body and A strain generating section that transmits rotational torque while generating distortion between the second rotating bodies, and a plurality of strain detecting sections that are provided on the first surface and the second surface, respectively, and detect the strain of the strain generating section. A torque sensor is provided.
また、本開示によれば、入力軸の回りに軸回転可能な第1の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第2の回転体と、第1の回転体と第2の回転体とに渡って設けられ、入力軸に平行な第1の方向の一方側を向く第1の面、及び、第1の方向の他方側を向く第2の面を有し、第1の回転体及び第2の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、第1の面及び第2の面にそれぞれ設けられて起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、第1の回転体及び第2の回転体のうちの少なくとも一方に固定されたエンコーダと、を備えた、力制御型アクチュエータが提供される。 In addition, according to the present disclosure, the first rotating body that can rotate around the input shaft, the second rotating body that can rotate around the output shaft, the first rotating body, and the second rotation. A first surface facing the one side of the first direction parallel to the input axis and a second surface facing the other side of the first direction. A strain generating portion for transmitting rotational torque while generating strain between the body and the second rotating body, and a plurality of strain detections provided on the first surface and the second surface for detecting the strain of the strain generating portion, respectively. There is provided a force control type actuator including a section and an encoder fixed to at least one of the first rotating body and the second rotating body.
以上説明したように本開示によれば、トルクセンサを小型化し、かつ、トルクを精度よく検出することができる。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
As described above, according to the present disclosure, the torque sensor can be downsized and the torque can be accurately detected.
Note that the above effects are not necessarily limited, and any of the effects shown in the present specification, or other effects that can be grasped from the present specification, together with or in place of the above effects. May be played.
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
1.第1の実施の形態(センサ素子を使用する例)
1−1.力制御型アクチュエータの全体構成
1−2.トルクセンサ
2.第2の実施の形態(ゲージパターンを使用する例)
3.参考例
The description will be made in the following order.
1. First embodiment (example using sensor element)
1-1. Overall configuration of force control type actuator 1-2. Torque sensor Second embodiment (example using gauge pattern)
3. Reference example
<<1.第1の実施形態>>
<1−1.力制御型アクチュエータの全体構成>
まず、図1及び図2を参照して、本開示の第1の実施形態に係る力制御型アクチュエータ1の全体構成について説明する。図1は、力制御型アクチュエータ1の概略断面図であり、図2は、図1の概略断面図により示された力制御型アクチュエータ1の分解斜視図である。
<< 1. First Embodiment >>
<1-1. Overall configuration of force control actuator>
First, an overall configuration of the force control type actuator 1 according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the force control type actuator 1, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the force control type actuator 1 shown by the schematic cross sectional view of FIG.
力制御型アクチュエータ(以下、「回転アクチュエータ」ともいう。)1は、トルクセンサ100と、出力側エンコーダ20と、波動歯車装置30と、モータ40と、ブレーキ機構50と、入力側エンコーダ60とを備える。かかる回転アクチュエータ1において、モータ40は、通電により回転して回転トルクを生成する。波動歯車装置30は、モータ40と同軸状態で連設され、モータ40から出力される回転トルクを減速して出力する。トルクセンサ100は、波動歯車装置30から伝達される回転トルクを出力側に連設された回転対象物に伝達する。入力側エンコーダ60は、モータ40の回転情報を取得する。出力側エンコーダ20は、波動歯車装置30により減速されて出力される回転情報を取得する。
A force control type actuator (hereinafter also referred to as “rotary actuator”) 1 includes a
なお、本明細書において、「前方」あるいは「正面」とは出力側エンコーダ20が配置されている方向(図1及び図2の左方向)をいい、「後方」あるいは「背面」とは入力側エンコーダ60が配置されている方向(図1及び図2の右方向)をいう。
In this specification, “front” or “front” refers to the direction in which the output-
(1−1−1.モータ)
モータ40は、通電により駆動され、回転トルクを生成する。モータ40は、例えばブラシレスモータとすることができる。図示したモータ40は、コアレス型のDCサーボモータであり、円筒状のモータハウジング41と、モータハウジング41内にモータハウジング41と同心円状に配置された中空のモータ軸42とを備える。モータ軸42は中空形状を有し、回転アクチュエータ1の中心軸Aの軸回りに回転可能となっている。モータ軸42は、波動歯車装置30、モータ40、ブレーキ機構50及び入力側エンコーダ60に渡って配置されている。モータ軸42の内部には配管11が挿通されている。配管11は、回転アクチュエータ1の軸方向両端側で、カバー69及びエンコーダケース29により保持されている。
(1-1-1. Motor)
The
モータ軸42は、モータハウジング41及びカバー48に設けられた中心開口部46,49の内周面により、軸受部47,56を介して、回転自在に支持されている。モータ軸42の軸線方向の中央部には、大径部43が設けられている。当該大径部43の外周には、円環状のマグネット44が取り付けられている。かかる大径部43及びマグネット44はロータとして構成される。モータハウジング41の内周部には、円環状のコイル45が取り付けられている。かかるコイル45は、ステータとして構成される。
The
(1−1−2.ブレーキ機構)
ブレーキ機構50は、モータ40の回転を減速する。ブレーキ機構50は、モータハウジング41の内周部のロータ及びステータの後方側に設けられている。ブレーキ機構50は、モータハウジング41のカバー48の後方側の面に固定された基板51と、基板51に固定された円環状のコイル52と、可動子53と、ブレーキプレート55と、可動子53とブレーキプレート55との間に配置されたブレーキディスク54とを備える。このうち、ブレーキプレート55は基板51に固定される。また、ブレーキディスク54は、ハブ57を介してモータ軸42に固定され、モータ軸42と一体的に回転する。コイル52に通電されている間に、可動子53がコイル52側に引き付けられて、可動子53、ブレーキディスク54及びブレーキプレート55はそれぞれ離間する。一方、コイル52への通電が停止されると、図示しないバネ等の付勢手段により可動子53がブレーキディスク54側に移動させられることにより、ブレーキディスク54がブレーキプレート55に押し付けられて、ロータの回転が停止される。
(1-1-2. Brake mechanism)
The
(1−1−3.入力側エンコーダ)
入力側エンコーダ60は、モータ40の回転速度や原点位置等を検出する。モータハウジング41の後方側には、入力側エンコーダ60のエンコーダケース61が同心円状に取り付けられている。エンコーダケース61は円筒状を有し、エンコーダケース61の内部に、入力側エンコーダ60用の磁気ディスク(永久磁石)63を支持する支持基板62が配置されている。かかる支持基板62はモータ軸42に固定され、磁気ディスク63及び支持基板62は、モータ軸42と一体的に回転する。また、入力側エンコーダ60は、磁気ディスク63と対向する位置には、磁気ディスク63の相対的な回転による磁場の変化を検出する磁場検出素子65を備える。磁場検出素子65は、可撓性回路基板等を介して、エンコーダケース61の外周部に配置された入力側エンコーダ基板67に電気的に接続されている。かかる入力側エンコーダ60により、モータ軸42の原点位置及び回転角度等の回転情報が得られる。入力側エンコーダ60は、後述する出力側エンコーダ20と同様に構成することができる。
(1-1-3. Input encoder)
The
(1−1−4.波動歯車装置)
波動歯車装置30は、モータ40の回転を減速して出力する減速機として機能する。波動歯車装置30は、円環状のハウジング31と、ハウジング31の内周部に固定された内歯歯車32と、内歯歯車32の内周部に配置されたカップ状の可撓性外歯歯車33と、さらに可撓性外歯歯車33の内周部に配置された波動発生部34とを備える。カップ状の可撓性外歯歯車33は、後方側に開口する円筒状の胴部33aと、当該胴部33aにおける前方端から径方向内側に延びるダイヤフラム33bと、ダイヤフラム33bの内周縁に連続して前方に延びるボス33cと、胴部33aの開口端側の外周面に形成された外歯33dとを備える。ボス33cには、固定用ボルト38により回転伝達部材35が固定されている。
(1-1-4. Wave gear device)
The
回転伝達部材35は、クロスローラベアリング36を介してハウジング31に支持されている。可撓性外歯歯車33は、回転伝達部材35及びクロスローラベアリング36を介して、ハウジング31により回転自在に支持されている。ハウジング31の前方側には、出力側エンコーダ20の磁気ディスク21が固定された支持プレート39が装着されている。
The
可撓性外歯歯車33の胴部33aの内部には、モータ軸42が配置され、当該モータ軸42の外周に、波動発生部34が固定されている。これにより、波動発生部34は、モータ軸42と一体的に回転する。波動発生部34は、円筒状を有し、外周にウェーブベアリング37が備えられている。ウェーブベアリング37は、可撓性の内輪及び外輪を備えたボールベアリングであり、楕円状に撓められている。可撓性外歯歯車33の外歯33dが形成されている部分は、波動発生部34によって楕円状に撓められており、楕円の長軸方向の2箇所で、外歯33dが内歯歯車32の内歯に噛み合っている。
A
クロスローラベアリング36は、ハウジング31に固定された外輪36aと、回転伝達部材35の外周に固定された内輪36bと、外輪36a及び内輪36bの間に挿入された複数のローラ36cとを備えている。モータ40が駆動されモータ軸42が回転すると、波動発生部34及び可撓性外歯歯車33により回転が減速されて回転伝達部材35に伝達される。
The
(1−1−5.トルクセンサ)
トルクセンサ100は、波動歯車装置30から出力され、回転対象物に伝達される回転トルクを検出する。トルクセンサ100は、固定用ボルト38により回転伝達部材35に連設されている。トルクセンサ100は、互いに異なる直径で同心円状に設けられた第1の回転体112と第2の回転体114とを有する。内側の第1の回転体112は、固定用ボルト38により、可撓性外歯歯車33及び回転伝達部材35に固定されている。外側の第2の回転体114は、起歪部121を介して第1の回転体112に接続され、第1の回転体112に入力された回転トルクが、起歪部121を介して第2の回転体114に伝達される。第2の回転体114には図示しない回転対象物が連結されており、第2の回転体114の回転によって回転対象物も回転する。
(1-1-5. Torque sensor)
The
このとき、起歪部121は、歪みを生じながら、第1の回転体112に入力された回転トルクを第2の回転体114に伝達する。起歪部121には、図示しない歪検出部が設けられている。歪検出部は、図示しない可撓性回路基板等を介して、出力側エンコーダ20と共通の回路基板23に対して電気的に接続されている。トルクセンサ100は、歪検出部により検出される歪みに基づいて、回転トルクを検出する。
At this time, the
(1−1−6.出力側エンコーダ)
出力側エンコーダ20は、トルクセンサ100を介して回転対象物に出力される回転の回転角度及び回転速度を検出する。出力側エンコーダ20は、第2の回転体114の内周に配置されている。出力側エンコーダ20のエンコーダケース29が第2の回転体114の内周に配置され、当該エンコーダケース29の内部には回路基板23が組み付けられている。出力側エンコーダ20は、例えば磁気式のエンコーダとすることができる。
(1-1-6. Output side encoder)
The output-
エンコーダケース29の一部29aは、トルクセンサ100の起歪部121に設けられた開口部118内に入り込み、当該一部29aの後方側を向く端面には磁場検出素子25が設けられている。当該磁場検出素子25に対向する波動歯車装置30の支持プレート39には、出力側エンコーダ20用の磁気ディスク(永久磁石)21が配置されている。磁場検出素子25は、回路基板23に対して電気的に接続されており、磁気ディスク21と出力側エンコーダ20との相対的な回転による磁場の変化を検出する。かかる出力側エンコーダ20により、モータ軸42の原点位置及び回転角度等の回転情報が得られる。
A
本実施形態に係る回転アクチュエータ1では、中心軸Aに沿う軸方向の長さが短くされ、径方向の幅に対する軸方向の幅の比が1に近づけられている。また、かかる回転アクチュエータ1では、モータ40の外径を最外径として軸方向の中央にモータ40が配置され、軸方向の両端側に外径の小さい他の構成要素が配置されることで、回転アクチュエータ1全体として球体に近い形状とされている。特に、本実施形態に係る回転アクチュエータ1では、トルクセンサ100の軸方向の長さが短くされ、かつ、出力側エンコーダ20がトルクセンサ100の内周に配置されることで、出力側エンコーダ20及びトルクセンサ100に要する軸方向長さが短くなっている。したがって、例えばロボットアームの関節部等における回転アクチュエータ1の配置スペースを小さくすることができ、ロボットアームの余分なスペースを削減することができる。
In the rotary actuator 1 according to the present embodiment, the axial length along the central axis A is shortened, and the ratio of the axial width to the radial width is close to 1. Further, in the rotary actuator 1, the
ここまで、本実施形態に係る回転アクチュエータ1の全体構成の概略について説明した。以下、出力側エンコーダ20と一体化されたトルクセンサ100の構成について、詳細に説明する。
So far, the outline of the overall configuration of the rotary actuator 1 according to the present embodiment has been described. Hereinafter, the configuration of the
<1−2.トルクセンサ>
以下、図3〜図7を参照して、本実施形態に係る回転アクチュエータ1に備えられたトルクセンサ100の構成について詳細に説明する。本実施形態に係るトルクセンサ100は、出力側エンコーダ20が組み付けられて一体化されている。図3は、トルクセンサ100のベース材110を正面側(前方側)から見た斜視図である。図4は、カバー27、エンコーダケース29及び回路基板23が取り付けられた状態のトルクセンサ100を正面側から見た斜視図である。図5は、エンコーダケース29及び回路基板23の図示を省略したトルクセンサ100を正面側(前方側)から見た平面図である。図6は、出力側エンコーダ20が組み付けられたトルクセンサ100を背面側(後方側)から見た平面図である。
<1-2. Torque sensor>
Hereinafter, the configuration of the
トルクセンサ100は、ベース材110を有する。ベース材110は、互いに異なる直径を有して同心円状に配置された第1の回転体112及び第2の回転体114と、第1の回転体112と第2の回転体114とに渡って設けられた起歪部121(121a,121b,121c,121d)とを備える。本実施形態に係るトルクセンサ100では、第1の回転体112、第2の回転体114及び起歪部121は一体的に形成されている。例えば、ベース材110は、型成形及び切削加工により一体成形され得る。ただし、ベース材110の製造方法は限定されない。ベース材110の構成材料は特に限定されず、鉄鋼材料や非鉄金属材料で構成された各種構造用材料を用いることができる。構造用材料は、第1の回転体112に入力される回転トルクを第2の回転体114に伝達可能であり、かつ、適度な歪みを生じ得る材料であればよい。
The
第1の回転体112及び第2の回転体114は、ともに中心軸Aに平行な方向に延びる円筒形状を有する。第1の回転体112は、径方向内側に配置され、波動歯車装置30からの回転トルクを伝達する入力軸の回りに軸回転可能になっている。第2の回転体114は、径方向外側に配置され、回転対象物に対して回転トルクを伝達する出力軸の回りに軸回転可能になっている。本実施形態に係るトルクセンサ100では、入力軸及び出力軸は、ともに回転アクチュエータ1の中心軸Aに一致する。
Both the first
第1の回転体112は、中心部に配管11が挿通される中央開口部111と、背面側から固定用ボルト38が挿入される複数(図示した例では6個)の孔部113と、を有する。第1の回転体112は、固定用ボルト38により回転伝達部材35に固定されることで、回転伝達部材35を介して伝達される回転トルクを受けて、中心軸Aの回りに軸回転可能となっている。第2の回転体114は、正面側の端面に、エンコーダケース29及び回路基板23を支持するカバー27を固定するための固定用ボルト28が挿入される複数(図示した例では6個)の孔部115を有する。孔部115は、中心軸Aを中心に対称となる位置に3個ずつ設けられている。本実施形態に係るトルクセンサ100では、回路基板23は、出力側エンコーダ20の回路基板とトルクセンサ100の回路基板とを兼ねている。
The first
また、第2の回転体114は、正面側の端面に、回転対象物に嵌められる突出部116を有する。突出部116は、中心軸Aを中心に対称となる位置に2個設けられている。第2の回転体114は、起歪部121を介して伝達される回転トルクを受けて、中心軸Aの回りに軸回転可能となっている。
Moreover, the 2nd
起歪部121は、中心軸Aを中心に放射状に延在する複数(図示の例では4個)の接続部(梁部)121a,121b,121c,121dとして構成されている。複数の接続部121a,121b,121c,121dは、周方向に等間隔で設けられている。つまり、本実施形態に係るトルクセンサ100では、4個の接続部121a,121b,121c,121dが周方向に90°の間隔で設けられている。かかる起歪部121は、第1の回転体112に入力された回転トルクを、第2の回転体114に伝達する。それぞれの接続部121a,121b,121c,121dは、入力軸(中心軸A)に平行な第1の方向の一方側(前方側)を向く第1の面と、当該第1の方向の他方側(後方側)を向く第2の面とを有する。
The
また、それぞれの接続部121a,121b,121c,121dは、軸方向(第1の方向)の長さ(厚さ)が、入力軸の軸回り方向の長さ(幅)よりも小さい板状を有している。したがって、接続部121a,121b,121c,121dは、回転トルクを伝達する際に、中心軸Aを中心とする周方向(せん断方向)への歪みを生じ得る。板状の接続部121a,121b,121c,121dの表裏の面は、中心軸Aに直交するように形成される。
Each of the connecting
それぞれの接続部121a,121b,121c,121dの周方向の幅は、トルクセンサ100の外径にもよるが、例えば、8.0〜12.0mmとすることができる。また、それぞれの接続部121a,121b,121c,121dの厚さは、トルクセンサ100の外径にもよるが、例えば、0.8〜1.5mmとすることができる。接続部121a,121b,121c,121dの周方向の幅、あるいは、厚さが大きすぎると、接続部121a,121b,121c,121dの剛性が大きくなって、歪みの検出が困難になるおそれがある。一方、接続部121a,121b,121c,121dの周方向の幅、あるいは、厚さが小さすぎると、接続部121a,121b,121c,121dの剛性が著しく低下して、回転トルクに耐えられないおそれがある。これらの点を考慮して、接続部121a,121b,121c,121dの寸法が、適切に設定され得る。
Although the circumferential width of each of the connecting
それぞれの板状の接続部121a,121b,121c、121dの表裏の面には、歪みを検出するための歪検出部として、せん断用の2軸歪ゲージG1〜G8が接着等により配置されている。第1の接続部121aの前方側の第1の面には第1の歪ゲージG1が配置され、後方側の第2の面には第5の歪ゲージG5が配置されている。第2の接続部121bの前方側の第2の面には第2の歪ゲージG2が配置され、後方側の第2の面には第6の歪ゲージG6が配置されている。第3の接続部121cの前方側の第1の面には第3の歪ゲージG3が配置され、後方側の第2の面には第7の歪ゲージG7が配置されている。第4の接続部121dの前方側の第1の面には第4の歪ゲージG4が配置され、後方側の第2の面には第8の歪ゲージG8が配置されている。それぞれの歪ゲージG1〜G8は、中心軸Aから等距離の位置に配置されている。
Biaxial strain gauges G1 to G8 for shearing are disposed on the front and back surfaces of the respective plate-like connecting
図7は、歪ゲージGの構成例を示す説明図である。図7に示す歪ゲージGは、せん断用の2軸歪ゲージであり、それぞれ2方向の歪みを検出するために、第1の受感部Ra及び第2の受感部Rbを有する。各歪ゲージG1〜G8は、第1の受感部Ra及び第2の受感部Rbが中心軸Aを中心とした周方向に隣り合うようにして配置される。第1の受感部Raは、中心軸Aに直交し、かつ、中心軸Aを中心とした径方向に対して所定方向に45度傾斜する方向に沿って形成される。かかる第1の受感部Raは、中心軸Aに対して直交する方向であって、中心軸Aを中心とする径方向に対して所定方向に45度傾斜する方向の歪みを検出する。また、第2の受感部Rbは、中心軸Aに直交し、かつ、第1の受感部R1に直交する方向に沿って形成される。かかる第2の受感部Rbは、中心軸Aに対して直交する方向であって、第1の受感部Raの検出方向に直交する方向の歪みを検出する。 FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the strain gauge G. A strain gauge G shown in FIG. 7 is a biaxial strain gauge for shearing, and includes a first sensitive part Ra and a second sensitive part Rb in order to detect strain in two directions. Each strain gauge G1-G8 is arrange | positioned so that 1st sensitive part Ra and 2nd sensitive part Rb may adjoin the circumferential direction centering on the central axis A. As shown in FIG. The first sensing part Ra is formed along a direction that is orthogonal to the central axis A and that is inclined by 45 degrees in a predetermined direction with respect to the radial direction around the central axis A. The first sensing part Ra detects a distortion in a direction that is orthogonal to the central axis A and is inclined 45 degrees in a predetermined direction with respect to the radial direction centered on the central axis A. The second sensitive part Rb is formed along a direction perpendicular to the central axis A and perpendicular to the first sensitive part R1. The second sensitive part Rb detects distortion in a direction perpendicular to the central axis A and perpendicular to the detection direction of the first sensitive part Ra.
本実施形態に係るトルクセンサ100では、第1の接続部121a及び第2の接続部121bに接着剤等により取り付けられた第1の歪ゲージG1、第2の歪ゲージG2、第5の歪ゲージG5及び第6の歪ゲージG6により第1のセンサ部が構成される。各歪ゲージG1,G2,G5,G6は、図示しない可撓性回路基板上の配線パターンに電気的に接続される。可撓性回路基板の各種電子部品の実装部127は、隣り合う第1の接続部121a及び第2の接続部121bの間に設けられた基板配置部125の正面側の面に配置されている。
In the
同様に、第3の接続部121c及び第4の接続部121dに接着剤等により取り付けられた第3の歪ゲージG3、第4の歪ゲージG4、第7の歪ゲージG7及び第8の歪ゲージG8により第2のセンサ部が構成される。各歪ゲージG3,G4,G7,G8は、図示しない可撓性回路基板上の配線パターンに電気的に接続される。可撓性回路基板の各種電子部品の実装部137は、隣り合う第3の接続部121c及び第4の接続部121dの間に設けられた基板配置部135の正面側の面に配置されている。
Similarly, the third strain gauge G3, the fourth strain gauge G4, the seventh strain gauge G7, and the eighth strain gauge attached to the
波動歯車装置30は、中心軸Aの軸方向及び径方向に振動成分を有することが多く、波動歯車装置30のギヤ間の噛み合いにおいて回転方向へ振動を生じさせることがある。また、波動歯車装置30に設けられた軸受部は、回転軸の径方向の振動をすべて除去できるとは限らない。このため、軸受部では除去できない振動成分が起歪部121に入力されることで、回転トルク以外の多軸力がトルクセンサ100の出力に含まれ得る。
The
そこで、本実施形態に係るトルクセンサ100では、8アクティブ4ゲージ法の等価回路を構成し、回転トルク以外の多軸力の影響を小さくすることで、回転トルクの検出精度を向上させている。その際、トルクセンサ100の外形、特に、トルクセンサ100の軸方向長さが小さくなるようにすることで、トルクセンサ100あるいは回転アクチュエータ1の小型化が図られている。
Therefore, in the
図8〜図9は、第1のセンサ部の構成例を示す説明図である。図8は、第1のセンサ部を構成する歪ゲージG1,G2,G5,G6の配置を模式的に示す説明図であり、図9は、第1のセンサ部の等価回路図である。 8 to 9 are explanatory diagrams illustrating a configuration example of the first sensor unit. FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing the arrangement of the strain gauges G1, G2, G5, G6 constituting the first sensor unit, and FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the first sensor unit.
第1のセンサ部を構成する歪ゲージG1,G2,G5,G6は、中心軸Aから90度異なる方向に延びる第1の接続部121a及び第2の接続部121b上に、接着剤等により取り付けられる。第1の歪ゲージG1及び第5の歪ゲージG5は、第1の接続部121aの表裏の面に配置され、第2の歪ゲージG2及び第6の歪ゲージG6は、第2の接続部121bの表裏の面に配置される。それぞれの歪ゲージG1,G2,G5,G6は、第1の受感部Ra及び第2の受感部Rbを有しており、第1のセンサ部は、計8個の受感部を有する。これらの受感部を2組でブリッジ接続することにより、8アクティブ4ゲージ法のブリッジ(ホイートストンブリッジ)が構成されている。
The strain gauges G1, G2, G5, and G6 constituting the first sensor unit are attached by adhesive or the like on the
図9において、第1の接続部121aの表裏の面に配置した第1の歪ゲージG1及び第5の歪ゲージG5の第1の受感部Ra及び第2の受感部Rbの電気抵抗値を、それぞれR1,R2,R7,R8とする。また、第2の接続部121bの表裏の面に配置した第2の歪ゲージG2及び第6の歪ゲージG6の第1の受感部Ra及び第2の受感部Rbの電気抵抗値を、それぞれR3,R4,R5,R6とする。抵抗R1,R2,R7,R8を直列接続した回路と、抵抗R3,R4,R5,R6を直列接続した回路とが形成され、これらの回路が互いに並列接続されることにより、8アクティブ4ゲージ法のブリッジが構成される。
In FIG. 9, the electrical resistance values of the first and second sensitive parts Ra and Rb of the first strain gauge G1 and the fifth strain gauge G5 arranged on the front and back surfaces of the first connecting
起歪部121に中心軸A回りの回転トルクが入力されて歪みが発生すると、第1の接続部121a及び第2の接続部121bも微小変形し、変形量に応じて第1の受感部Ra及び第2の受感部Rbの抵抗値が変化する。各抵抗群R1〜R8を並列接続した回路の両端に電圧VEを印加したときに、各抵抗群R1〜R8の中間点間で現れる電位差Veが、トルクセンサ100のセンサ出力となる。印加電圧VEと出力電圧Veとの関係は以下のとおりとなる。
Ve=VE[{(R7−R2)/(R1−R8+R7−R2)}−{(R6−R3)/(R4−R5+R6−R3)}]
When the rotational torque around the central axis A is input to the
Ve = VE [{(R7-R2) / (R1-R8 + R7-R2)}-{(R6-R3) / (R4-R5 + R6-R3)}]
つまり、90度異なる方向に延在する第1の接続部121a及び第2の接続部121bのそれぞれの表裏面に歪ゲージを配置することにより、中心軸Aの偏心や温度の変動による、第1の接続部121a及び第2の接続部121bに生じた曲げ歪み又は引張圧縮変形の影響がキャンセルされ、せん断方向の歪みを精度よく検出することができる。また、第1の接続部121a及び第2の接続部121bの表裏の面に歪ゲージG1,G2,G5,G6を配置して第1のセンサ部を構成することにより、起歪部121の歪みが小さい場合であっても、大きな出力として検出することができる。
That is, by arranging strain gauges on the front and back surfaces of the
また、本実施形態に係るトルクセンサ100は、第3の接続部121c及び第4の接続部121dにおいても、第1の接続部121a及び第2の接続部121bと同様に、それぞれの表裏面に歪ゲージを配置し、8アクティブ4ゲージ法のブリッジからなる、第2のセンサ部を構成することができる。この場合、第1の接続部121aと第3の接続部121c、第2の接続部121bと第4の接続部121dは、中心軸Aを中心に対角に配置され、かつ、中心軸Aからの距離を等しくして設けられているため、第1のセンサ部で検出されるトルクノイズと、第2のセンサ部で検出されるトルクノイズは、逆位相で現れる。これにより、1つの起歪部121で2系統のトルク出力を検出し、その合力によってノイズ成分を除去することができる。
In addition, the
図10は、第1のセンサ部及び第2のセンサ部により検出されるセンサ値(出力電圧)と、第1のセンサ部及び第2のセンサ部のセンサ値の合算値を示している。中心軸Aを中心に対角に配置された第1のセンサ部のセンサ値と第2のセンサ部のセンサ値とを合算することで、0.1Nm程度のトルク変動が、0.02Nm程度まで抑えられていることが分かる。ただし、本開示のトルクセンサ100において、第2のセンサ部は必須ではない。
FIG. 10 shows the sum of the sensor value (output voltage) detected by the first sensor unit and the second sensor unit and the sensor value of the first sensor unit and the second sensor unit. By adding the sensor value of the first sensor unit and the sensor value of the second sensor unit that are arranged diagonally about the central axis A, the torque fluctuation of about 0.1 Nm can be reduced to about 0.02 Nm. You can see that it is suppressed. However, in the
このように構成されるトルクセンサ100は、起歪部121としての接続部121a,121b,121c,121dの厚さが薄いため、第1の回転体112及び第2の回転体114の軸方向長さを短くすることができる。本実施形態に係るトルクセンサ100では、第2の回転体114の軸方向長さが第1の回転体112の軸方向長さよりも長くなっており、第2の回転体114の軸方向長さにより、トルクセンサ100の軸方向長さが定められる。例えば、突出部116を含まない第2の回転体114の軸方向長さを、7.0〜15.0mmとすることができる。
In the
また、本実施形態に係るトルクセンサ100では、第2の回転体114の内周に出力側エンコーダ20の少なくとも一部が配置されている。図1及び図4に示したように、本実施形態に係るトルクセンサ100では、出力側エンコーダ20のエンコーダケース29及び回路基板23を支持するカバー27の表面が、トルクセンサ100の第2の回転体114に設けられた突出部116の先端位置に略一致している。このため、トルクセンサ100及び出力側エンコーダ20を合わせた合計の軸方向長さが短くなって、アクチュエータ1の軸方向長さが小さくされる。また、トルクセンサ100及び出力側エンコーダ20は、波動歯車装置30に比べて小さい外径を有するために、アクチュエータ1全体の形状が球体に近づけられる。
In the
出力側エンコーダ20は、エンコーダケース29と、エンコーダケース29の内周に配置された回路基板23と、磁気ディスク(永久磁石)21と、磁場検出素子25とを備える。エンコーダケース29及び回路基板23は、少なくとも一部がトルクセンサ100の第2の回転体114の内周に配置されて、固定用ボルト28により第2の回転体114の正面側端面に固定されている。エンコーダケース29の一部29aは、トルクセンサ100の第1の接続部121aと第4の接続部121dとの間の開口部118に入り込み、当該一部29aの端面が、トルクセンサ100の背面側の端面とほぼ同一面上に位置している(図2を参照。)。当該エンコーダケース29の一部29aの端面には、磁場検出素子25が設けられている。
The
図11は、出力側エンコーダ20の構成例を示す模式図である。出力側エンコーダ20は、円盤状の磁気ディスク21と、当該磁気ディスク21との相対的な回転に伴う磁場の変化を検出する磁場検出素子25とを備える。上述のとおり、円盤状の磁気ディスク21は、波動歯車装置30の支持プレート39に対して、中心軸Aと同心状に固定されている。磁気ディスク21は、径方向外側及び内側の2列で、正極及び負極が交互に配列された第1の磁極列21a及び第2の磁極列21bを有する。磁場検出素子25は、第1の磁極列21a及び第2の磁極列21bそれぞれの磁界を検出するためにそれぞれ2つ、計4つのホール素子を有する。磁場検出素子25は、例えば、複数のホール素子とADコンバータとを備えたICチップであってもよい。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the output-
径方向内側の第2の磁極列21bの正極及び負極の対の数は、径方向外側の第1の磁極列21aの正極及び負極の対の数よりも1対少なくされており、それぞれ検出される磁場に応じた電気信号の出力に基づいて、回転角度及び回転速度等の回転情報の検出が可能になっている。つまり、トルクセンサ100の回転に伴い、磁気ディスク21に対する磁場検出素子25の位置が変化すると、磁場検出素子25により検出される第1の磁極列21a及び第2の磁極列21bそれぞれの磁束密度は変化する。このとき、第1の磁極列21aと第2の磁極列21bとは正極及び負極の数が1対異なるため、360°回転する間に、磁場検出素子25により検出される第1の磁極列21aの磁力と第2の磁極列21bの磁力との組み合わせは同じになることがない。
The number of positive and negative electrode pairs of the second
図12は、図11に示した出力側エンコーダ20による回転角度の検出方法を示す模式図である。図12に示す例では、第2の磁極列21bの正極及び負極の対の数が5であり、第1の磁極列21aの正極及び負極の対の数が6である。図12には、第1の磁極列21a及び第1の磁極列21aからの検出信号sinθmと、第2の磁極列21b及び第2の磁極列21bからの検出信号sinθnとが示されている。また、図12の下側には、第1の磁極列21aからの検出信号sinθm、及び第2の磁極列21bからの検出信号sinθnにより生成され得る磁気角出力Φ1,Φ2と、磁気角出力の差分(Φ1−Φ2)とが示されている。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a method of detecting the rotation angle by the
かかる出力側エンコーダ20では、360°回転する間に、第1の磁極列21aからの検出信号sinθmは60°周期で振幅する一方、第2の磁極列21bからの検出信号sinθnは72°周期で振幅する。そして、両者の磁気角出力の差分は、0°〜360°までリニアに変化する。したがって、かかる磁気角出力を求めることによって、回転角度を検出することができる。
In such an
本実施形態に係る出力側エンコーダ20は、磁気ディスク21が円盤状であり、かつ、磁場検出素子25が磁気ディスク21対向する平面状のチップからなるため、軸方向の長さを小さくすることができる。また、磁気ディスク21は、波動歯車装置30の支持プレート39に取り付けられ、エンコーダケース29及び回路基板23は、トルクセンサ100の第2の回転体114の内周に配置されている。そして、トルクセンサ100の起歪部121に設けられた開口領域を利用して、磁場検出素子25が磁気ディスク21に対向させられている。したがって、トルクセンサ100及び出力側エンコーダ20に要する軸方向の長さをより小さくすることができる。
In the output-
なお、入力側エンコーダ60も、出力側エンコーダ20と同様の構成とすることができる。
The
以上説明したように、本実施形態に係るトルクセンサ100によれば、第1の回転体112と第2の回転体114とを接続する起歪部121を、軸方向の長さ(厚さ)が小さい板状の起歪部121とし、当該起歪部121の両面に歪ゲージG1〜G8が配置されて、回転トルクが検出される。したがって、トルクセンサ100の軸方向の長さを短くすることができる。
As described above, according to the
また、本実施形態に係るトルクセンサ100では、8アクティブ4ブリッジ法の等価回路により構成され、回転トルク以外の振動成分が除去されて、回転トルクの検出精度が高められる。さらに、中心軸Aを中心とした対角上にそれぞれ歪ゲージを配置して、第1のセンサ部及び第2のセンサ部を構成し、両者の合力に基づいて回転トルクを検出するようにした場合には、ノイズを除去することができ、さらに検出精度が高められる。
In addition, the
また、本実施形態に係るトルクセンサ100は、トルクセンサ100の第2の回転体114の内周を利用して出力側エンコーダ20が配置されている。したがって、トルクセンサ100及び出力側エンコーダ20に要する軸方向の長さが短くされ、回転アクチュエータ1全体の長さを短くすることができる。そして、回転アクチュエータ1では、外径が大きいモータ40及び波動歯車装置30が軸方向の中央に配置され、軸方向の外側へ向かうにつれて外径が小さい構成部材が配置されている。したがって、回転アクチュエータ1全体を球体状に構成することができる。これにより、回転アクチュエータ1の省スペース化が図られる。
Further, in the
<2.第2の実施の形態>
次に、本開示の第2の実施の形態に係るトルクセンサ150について説明する。本実施形態に係るトルクセンサ150では、歪検出部としての歪ゲージ素子が接続部121a〜121dの表面及び裏面に配置されるのではなく、接続部121a〜121dの両面に、歪検出部としてのゲージパターンが成膜された起歪部161が用いられている。
<2. Second Embodiment>
Next, the
図13〜図16は、本実施形態に係るトルクセンサ150の構成を示す説明図である。図13は、本実施形態に係るトルクセンサ150を背面側(後方側)から見た斜視図であり、図14は、本実施形態に係るトルクセンサ150の第1の回転体181、第2の回転体151及び起歪部161の分解斜視図である。図15は、組付けられたトルクセンサ150の第1の回転体181、第2の回転体151及び起歪部161の軸方向断面図である。
13-16 is explanatory drawing which shows the structure of the
本実施形態に係るトルクセンサ150では、第1の回転体181、第2の回転体151及び起歪部161がそれぞれ別体の構成要素として成形され、互いに接合されている。具体的には、図14及び図15に示すように、第1の回転体181は、起歪部161の中央部173に対して、表面側(前方側)から、図示しない固定用ボルト等により固定される。また、第2の回転体151は、背面側(後方側)の面に起歪部161が配置される凹部153を有し、起歪部161の外縁部171は、第2の回転体151の凹部153に対して接合される。第2の回転体151の背面側の端面に沿って可撓性回路基板190が配置され、当該可撓性回路基板190の一部が、第2の回転体151の表面側に取り付けられたエンコーダケース29の内部の回路基板に接続されている。
In the
図16は、起歪部161を表面側(前方側)から見た平面図であり、図17は、図16のI−I断面矢視図を模式的に示した断面図である。起歪部161は、第1の回転体181が固定される中央部173と、第2の回転体151に接合される外縁部171と、中心軸Aを中心に放射状に延在して中央部173と外縁部171とを接続する複数(図示の例では4個)の接続部(梁部)163(163a,163b,163c,163d)とを有する。それぞれの接続部163の表裏の面には、それぞれゲージパターンG1〜G8が形成されている。
FIG. 16 is a plan view of the strain-generating
具体的には、第1の接続部163aの前方側の面には第1のゲージパターンG1が形成され、後方側の面には第5のゲージパターンG5が形成されている。第2の接続部163bの前方側の面には第2のゲージパターンG2が形成され、後方側の面には第6のゲージパターンG6が形成されている。第3の接続部163cの前方側の面には第3のゲージパターンG3が形成され、後方側の面には第7のゲージパターンG7が形成されている。第4の接続部163dの前方側の面には第4のゲージパターンG4が形成され、後方側の面には第8のゲージパターンG8が形成されている。それぞれのゲージパターンG1〜G8は、中心軸Aから等距離の位置に形成されている。
Specifically, the first gauge pattern G1 is formed on the front surface of the first connecting
ゲージパターンG1〜G8は、例えば、起歪部161上に、絶縁膜としてのSiOx膜を高周波(RF)スパッタリング法により形成した後、さらに、CrOx膜を高周波(RF)スパッタリング法により形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより形成され得る。このとき、SiOx膜あるいはCrOx膜の密着性を高めるために、起歪部161の表面が鏡面研磨処理されてもよい。本実施形態に係るトルクセンサ150の起歪部161は、薄板状であり、表裏両面が平坦面であることから、表裏両面に対して鏡面研磨処理を施しやすくなっている。また、起歪部161の表裏両面が平坦面であることから、同一面に成膜することができ、成膜の精度を向上させることができる。
For example, the gauge patterns G1 to G8 are formed by forming a SiOx film as an insulating film on the
その結果、すべてのゲージパターンG1〜G8の密着性が高められる。これにより、ゲージパターンG1〜G8の抵抗値が安定し、歪みの検出精度を向上させることができる。つまり、ゲージパターンG1〜G8と起歪部161との間に、接着剤が介在しないことから、歪みに対する感度が高い歪検出部とすることができる。また、接着剤を用いて歪みゲージを起歪部上に接着する場合と比較して、密着性が高く、剥がれ等のリスクが低減されている。さらに、歪みゲージの場合、熟練者が手作業で起歪部に貼り付ける場合もあるが、ゲージパターンG1〜G8であれば、物理蒸着により起歪部161の表面に成膜されるため、成膜装置等により安定的な生産が可能になり、かつ、量産性にも優れる。
As a result, the adhesion of all the gauge patterns G1 to G8 is improved. Thereby, the resistance values of the gauge patterns G1 to G8 are stabilized, and the strain detection accuracy can be improved. That is, since no adhesive is interposed between the gauge patterns G1 to G8 and the
なお、絶縁膜の構成材料はSiOxに限られず、その他の電気絶縁性の材料が用いられてもよい。また、ゲージパターンG1〜G8の構成材料はCrOxに限られず、その他の導電性の材料が用いられてもよい。また、図示しないものの、起歪部161上には、ゲージパターンG1〜G8を可撓性回路基板190に対して電気的に接続するための配線パターンが形成されていてもよい。また、ゲージパターンG1〜G8あるいは配線パターンが形成された後、さらに、保護膜としてのSiOx膜が積層されていてもよい。
The constituent material of the insulating film is not limited to SiOx, and other electrical insulating materials may be used. Moreover, the constituent material of the gauge patterns G1 to G8 is not limited to CrOx, and other conductive materials may be used. Further, although not shown, a wiring pattern for electrically connecting the gauge patterns G1 to G8 to the
本実施形態に係るトルクセンサ150においても、例えば、起歪部161の第1の接続部163a及び第2の接続部163bの表裏両面に形成されたゲージパターンG1,G2,G5,G6により第1のセンサ部を構成し、起歪部161の第3の接続部163c及び第4の接続部163dの表裏両面に形成されたゲージパターンG3,G4,G7,G8により第2のセンサ部を構成してもよい。これにより、8アクティブ4ゲージ法の等価回路の歪みセンサが構成され、中心軸Aの偏心や温度の変動による、第1の接続部163a及び第2の接続部163bに生じた曲げ歪み又は引張圧縮変形の影響がキャンセルされ、せん断方向の歪みを精度よく検出することができる。また、第1の接続部163a及び第2の接続部163bの表裏の面に歪ゲージG1,G2,G5,G6を配置して第1のセンサ部を構成することにより、起歪部121の歪みが小さい場合であっても、大きな出力として検出することができる。
Also in the
以上、本実施形態に係るトルクセンサ150は、第1の回転体181及び第2の回転体151が別部材からなり、薄板状の起歪部161によって、一体的に連結されている。このため、起歪部161の表裏両面が平坦面となり、鏡面研磨処理を施すことができるとともに、高周波スパッタリング法及びフォトリソグラフィ法によって、密着性の高いゲージパターンG1〜G8を効率的に得ることができる。また、かかるゲージパターンG1〜G8であれば、起歪部161に直接パターニングされるため、歪みの感度を高めることができる。そして、本実施形態に係るトルクセンサ150によっても、起歪部161が、軸方向の長さ(厚さ)が小さい薄板状であるために、トルクセンサ150を小型化することができる。
As described above, in the
また、本実施形態に係るトルクセンサ150においても、第1の実施の形態に係るトルクセンサ100と同様に、第2の回転体151の内周に出力側エンコーダを配置することができる。したがって、本実施形態に係るトルクセンサ150を備えた回転アクチュエータ1によっても、回転アクチュエータ1が小型化され、球体状の回転アクチュエータ1とすることができる。
Also in the
<3.参考例>
次に、本開示の回転アクチュエータ1に関連する参考例に係るトルクセンサについて説明する。
<3. Reference example>
Next, a torque sensor according to a reference example related to the rotary actuator 1 of the present disclosure will be described.
図18〜図20は、参考例に係るトルクセンサのベース材201を示す説明図である。図18は、ベース材201を背面側(後方側)から見た斜視図であり、図19は、ベース材201を背面側(後方側)から見た平面図である。また、図20は、図19のベース材201のII−II断面矢視図である。
18-20 is explanatory drawing which shows the
参考例に係るトルクセンサのベース材201は、基本的には第1の実施の形態に係るトルクセンサ100のベース材110と同一の構成を有する。つまり、第1の回転体202と、第2の回転体204と、第1の回転体202及び第2の回転体204に渡って設けられた起歪部211(211a,211b,211c,211d)とが一体的に成形されている。
The
一方、ベース材201は、起歪部211を含む後方側の端面が平坦面であり、かかる平坦面に対して、ゲージパターンG1〜G4が形成されている。つまり、ベース材201の後方側の端面が平坦面であることから、当該端面を鏡面研磨処理することができ、かつ、同一面に対してパターニングをすることができる。これにより、密着性に優れたゲージパターンG1〜G4を形成することができ、歪みの検出精度を向上させることができる。ゲージパターンG1〜G4は、第2の実施の形態に係るトルクセンサ150のゲージパターンと同様に、高周波スパッタリング法による成膜処理と、フォトリソグラフィ法によるパターニング処理とにより形成することができる。
On the other hand, the
参考例に係るトルクセンサは、第1の回転体202、第2の回転体204及び起歪部211が一体成形され、ベース材201の端面が平坦面であるために、鏡面研磨処理を施すことができるとともに、高周波スパッタリング法及びフォトリソグラフィ法によって、密着性の高いゲージパターンG1〜G8を効率的に得ることができる。また、かかるゲージパターンG1〜G8であれば、起歪部211に直接パターニングされるため、歪みの感度を高めることができる。そして、参考例に係るトルクセンサによっても、起歪部211が、軸方向の長さ(厚さ)が小さい薄板状であるために、トルクセンサを小型化することができる。
In the torque sensor according to the reference example, the first
また、参考例に係るトルクセンサにおいても、第1の実施の形態に係るトルクセンサ100と同様に、第2の回転体204の内周に出力側エンコーダを配置することができる。したがって、参考例に係るトルクセンサを備えた回転アクチュエータによっても、回転アクチュエータが小型化され、球体状の回転アクチュエータとすることができる。
Also in the torque sensor according to the reference example, an output-side encoder can be arranged on the inner periphery of the second
この場合、起歪部211の表面側(前方側)の面に、接着剤等によって歪みゲージが貼り付けられてもよい。起歪部211の表面側にも歪ゲージを配置することにより、第1の実施の形態に係るトルクセンサ100と同様の8アクティブ4ゲージ法の等価回路の歪みセンサとすることができる。あるいは、背面側に形成されたゲージパターンG1〜G4を用いた8アクティブ4ゲージ法の等価回路の歪みセンサとしてもよい。
In this case, a strain gauge may be attached to the surface side (front side) of the
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present disclosure have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the technical scope of the present disclosure is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field of the present disclosure can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that it belongs to the technical scope of the present disclosure.
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。 Further, the effects described in the present specification are merely illustrative or exemplary and are not limited. That is, the technology according to the present disclosure can exhibit other effects that are apparent to those skilled in the art from the description of the present specification in addition to or instead of the above effects.
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
(1)入力軸の回りに軸回転可能な第1の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第2の回転体と、前記第1の回転体と前記第2の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第1の方向の一方側を向く第1の面、及び、前記第1の方向の他方側を向く第2の面を有し、前記第1の回転体及び前記第2の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、前記第1の面及び前記第2の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、を備えた、トルクセンサ。
(2)前記複数の歪検出部は、前記第1の面に備えられて、前記起歪部に作用するせん断応力を検出する第1の歪ゲージ、第2の歪ゲージ、第3の歪ゲージ及び第4の歪ゲージと、前記第2の面に備えられて、前記起歪部に作用するせん断応力を検出する第5の歪ゲージ、第6の歪ゲージ、第7の歪ゲージ及び第8の歪ゲージと、を備え、8アクティブ4ゲージ法の等価回路を構成する、前記(1)に記載のトルクセンサ。
(3)前記起歪部は、前記第1の回転体と前記第2の回転体との間に放射状に延在する複数の接続部を有する、(1)又は(2)に記載のトルクセンサ。
(4)前記複数の接続部は、前記第1の方向の幅が、前記入力軸の軸回り方向の幅よりも小さい板状を有する、前記(3)に記載のトルクセンサ。
(5)前記複数の接続部のうちの隣り合う前記接続部の間に、前記複数の歪検出部が電気的に接続される回路基板が配置される、前記(3)又は(4)に記載のトルクセンサ。
(6)前記複数の歪検出部は、前記複数の接続部のうちの第1の接続部の前記第1の面に備えられた第1の歪検出部と、前記複数の接続部のうちの第2の接続部の前記第1の面に備えられた第2の歪検出部と、前記第1の接続部の前記第2の面に備えられた第3の歪検出部と、前記第2の接続部の前記第2の面に備えられた第4の歪検出部と、を含む、前記(3)〜(5)のいずれか1項に記載のトルクセンサ。
(7)前記第1の接続部及び前記第2の接続部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う接続部である、前記(6)に記載のトルクセンサ。
(8)前記第1の歪検出部、前記第2の歪検出部、前記第3の歪検出部及び前記第4の歪検出部は、前記入力軸から等距離に配置される、前記(6)又は(7)に記載のトルクセンサ。
(9)前記第1の歪検出部、前記第2の歪検出部、前記第3の歪検出部及び前記第4の歪検出部は、それぞれ、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記入力軸を中心とする径方向に対して所定方向に45度傾斜する方向の歪みを検出する第1の受感部と、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記第1の受感部の検出方向に直交する方向の歪みを検出する第2の受感部と、を備え、8アクティブ4ゲージ法の等価回路を構成する、前記(6)〜(8)のいずれか1項に記載のトルクセンサ。
(10)前記第1の接続部及び前記第2の接続部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う接続部であり、前記複数の歪検出部は、前記入力軸を中心に前記第1の接続部の対角位置に設けられた第3の接続部の前記第1の面に備えられた第5の歪検出部と、前記入力軸を中心に前記第2の接続部の対角位置に設けられた第4の接続部の前記第1の面に備えられた第6の歪検出部と、前記第3の接続部の前記第2の面に備えられた第7の歪検出部と、前記第4の接続部の前記第2の面に備えられた第8の歪検出部と、を含む、前記(6)〜(9)のいずれか1項に記載のトルクセンサ。
(11)前記第5の歪検出部、前記第6の歪検出部、前記第7の歪検出部及び前記第8の歪検出部は、それぞれ、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記入力軸を中心とする径方向に対して所定方向に45度傾斜する方向の歪みを検出する第1の受感部と、前記入力軸に対して直交する方向であって、前記第1の受感部の検出方向に直交する方向の歪みを検出する第2の受感部と、を備え、8アクティブ4ゲージ法の等価回路を構成する、前記(10)に記載のトルクセンサ。
(12)前記歪検出部は、前記起歪部の前記第1の面及び前記第2の面に配置された歪みゲージである、前記(1)〜(11)のいずれか1項に記載のトルクセンサ。
(13)前記歪検出部は、前記起歪部の前記第1の面及び前記第2の面に成膜されたゲージパターンである、(1)〜(11)に記載のトルクセンサ。
(14)前記起歪部の前記第1の面及び前記第2の面のうちの少なくとも一方の面と、前記第1の回転体の前記第1の方向の端面と、前記第2の回転体の第1の方向の端面と、が同一平面上にある、前記(13)に記載のトルクセンサ。
(15)前記第1の回転体及び前記第2の回転体のうちの少なくとも一方に対して、別体に構成された前記起歪部が接合されてなる、前記(1)〜(14)のいずれか1項に記載のトルクセンサ。
(16)入力軸の回りに軸回転可能な第1の回転体と、出力軸の回りに軸回転可能な第2の回転体と、前記第1の回転体と前記第2の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第1の方向の一方側を向く第1の面、及び、前記第1の方向の他方側を向く第2の面を有し、前記第1の回転体及び前記第2の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、前記第1の面及び前記第2の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、前記第1の回転体及び前記第2の回転体のうちの少なくとも一方に固定されたエンコーダと、を備えた、力制御型アクチュエータ。
(17)前記第1の回転体及び前記第2の回転体は、互いに異なる直径を有する同心円状に設けられ、前記エンコーダの少なくとも一部は、外周側に位置する前記第2の回転体の内周側に配置される、前記(16)に記載の力制御型アクチュエータ。
(18)前記起歪部は、前記第1の回転体と前記第2の回転体とに渡って放射状に延在する複数の接続部を有し、前記エンコーダの少なくとも一部は、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う前記複数の接続部の間に配置される、前記(16)又は(17)に記載の力制御型アクチュエータ。
(19)前記エンコーダは、前記起歪部の前記第1の面が向く前記一方側に配置された回路基板と、前記起歪部の前記第2の面が向く前記他方側に対向配置された磁気ディスクと、前記入力軸の軸回り方向に隣り合う前記複数の接続部の間に配置されて前記磁気ディスクにより生成される磁場を検出する磁場検出素子と、を備える、前記(18)に記載の力制御型アクチュエータ。
The following configurations also belong to the technical scope of the present disclosure.
(1) a first rotating body that can rotate about an input shaft, a second rotating body that can rotate about an output shaft, the first rotating body, and the second rotating body A first surface facing the one side of the first direction parallel to the input shaft and a second surface facing the other side of the first direction, the first rotation A strain generating part for transmitting rotational torque while generating a strain between the body and the second rotating body, and detecting the strain of the strain generating part provided on the first surface and the second surface, respectively. A torque sensor comprising: a plurality of strain detection units.
(2) The first strain gauge, the second strain gauge, and the third strain gauge that are provided on the first surface and that detect shear stress acting on the strain generating portion. And a fourth strain gauge, a fifth strain gauge, a sixth strain gauge, a seventh strain gauge, and an eighth strain gauge, which are provided on the second surface and detect shear stress acting on the strain generating portion. The torque sensor according to (1), comprising an equivalent circuit of an 8-active 4-gauge method.
(3) The torque sensor according to (1) or (2), wherein the strain generating portion includes a plurality of connecting portions extending radially between the first rotating body and the second rotating body. .
(4) The torque sensor according to (3), wherein the plurality of connection portions have a plate shape in which the width in the first direction is smaller than the width in the direction around the axis of the input shaft.
(5) The circuit board to which the plurality of strain detection units are electrically connected is disposed between the adjacent connection units among the plurality of connection units, according to (3) or (4). Torque sensor.
(6) The plurality of strain detection units may include a first strain detection unit provided on the first surface of the first connection unit among the plurality of connection units, and a plurality of the connection units. A second strain detection unit provided on the first surface of the second connection unit; a third strain detection unit provided on the second surface of the first connection unit; The torque sensor according to any one of (3) to (5), further including a fourth strain detection unit provided on the second surface of the connection unit.
(7) The torque sensor according to (6), wherein the first connection portion and the second connection portion are connection portions adjacent to each other in a direction around the axis of the input shaft.
(8) The first strain detector, the second strain detector, the third strain detector, and the fourth strain detector are arranged at an equal distance from the input shaft. ) Or the torque sensor according to (7).
(9) The first strain detection unit, the second strain detection unit, the third strain detection unit, and the fourth strain detection unit are each in a direction orthogonal to the input axis. A first sensor for detecting distortion in a direction inclined at 45 degrees in a predetermined direction with respect to a radial direction centered on the input shaft, and a direction orthogonal to the input shaft, Any one of the above (6) to (8), comprising a second sensing unit that detects distortion in a direction orthogonal to the detection direction of the sensing unit, and constituting an equivalent circuit of an 8-active 4-gauge method The torque sensor according to item 1.
(10) The first connection portion and the second connection portion are connection portions adjacent to each other in a direction around the axis of the input shaft, and the plurality of strain detection portions are arranged around the input shaft. A fifth strain detector provided on the first surface of the third connecting portion provided at a diagonal position of the connecting portion; and a diagonal position of the second connecting portion around the input shaft A sixth strain detector provided on the first surface of the fourth connecting portion provided on the second connecting portion, and a seventh strain detector provided on the second surface of the third connecting portion; The torque sensor according to any one of (6) to (9), further including an eighth strain detection unit provided on the second surface of the fourth connection unit.
(11) The fifth strain detection unit, the sixth strain detection unit, the seventh strain detection unit, and the eighth strain detection unit are each in a direction orthogonal to the input axis. A first sensor for detecting distortion in a direction inclined at 45 degrees in a predetermined direction with respect to a radial direction centered on the input shaft, and a direction orthogonal to the input shaft, The torque sensor according to (10), further comprising a second sensing unit that detects distortion in a direction orthogonal to the detection direction of the sensing unit, and constituting an equivalent circuit of an 8-active 4-gauge method.
(12) The strain detection unit according to any one of (1) to (11), wherein the strain detection unit is a strain gauge disposed on the first surface and the second surface of the strain generation unit. Torque sensor.
(13) The torque sensor according to (1) to (11), wherein the strain detection unit is a gauge pattern formed on the first surface and the second surface of the strain generation unit.
(14) At least one of the first surface and the second surface of the strain generating portion, the end surface of the first rotating body in the first direction, and the second rotating body. The torque sensor according to (13), wherein the end surface in the first direction is on the same plane.
(15) The (1) to (14) above, wherein the strain-generating portion configured separately is bonded to at least one of the first rotating body and the second rotating body. The torque sensor according to any one of claims.
(16) a first rotating body capable of rotating about an input shaft, a second rotating body capable of rotating about an output shaft, the first rotating body, and the second rotating body. A first surface facing the one side of the first direction parallel to the input shaft and a second surface facing the other side of the first direction, the first rotation A strain generating part for transmitting rotational torque while generating a strain between the body and the second rotating body, and detecting the strain of the strain generating part provided on the first surface and the second surface, respectively. A force control type actuator comprising: a plurality of strain detection units; and an encoder fixed to at least one of the first rotating body and the second rotating body.
(17) The first rotating body and the second rotating body are provided in concentric circles having different diameters, and at least a part of the encoder is an inner part of the second rotating body located on the outer peripheral side. The force control type actuator according to (16), which is disposed on a circumferential side.
(18) The strain generating portion includes a plurality of connecting portions extending radially across the first rotating body and the second rotating body, and at least a part of the encoder is configured to have the input shaft The force control type actuator according to (16) or (17), wherein the force control type actuator is disposed between the plurality of connecting portions adjacent to each other in the direction around the axis.
(19) The encoder is disposed so as to face the circuit board disposed on the one side where the first surface of the strain generating portion faces and the other side where the second surface of the strain generating portion faces. The magnetic disk, and a magnetic field detection element that is disposed between the plurality of connecting portions adjacent to each other in the direction around the input shaft and detects a magnetic field generated by the magnetic disk, according to (18). Force control type actuator.
1 力制御型アクチュエータ(回転アクチュエータ)
20 出力側エンコーダ
21 磁気ディスク
23 回路基板
25 磁場検出素子
29 エンコーダケース
30 波動歯車装置
40 モータ
50 ブレーキ機構
60 入力側エンコーダ
100 トルクセンサ
110 ベース材
112 第1の回転体
114 第2の回転体
121 起歪部
121a,121b,121c,121d 接続部
1 Force control actuator (rotary actuator)
DESCRIPTION OF
Claims (19)
出力軸の回りに軸回転可能な第2の回転体と、
前記第1の回転体と前記第2の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第1の方向の一方側を向く第1の面、及び、前記第1の方向の他方側を向く第2の面を有し、前記第1の回転体及び前記第2の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、
前記第1の面及び前記第2の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、
を備えた、トルクセンサ。 A first rotating body capable of rotating about an input shaft;
A second rotating body rotatable about the output shaft;
A first surface provided across the first rotating body and the second rotating body and facing one side in a first direction parallel to the input shaft, and the other side in the first direction A strain generating portion that transmits a rotational torque while generating distortion between the first rotating body and the second rotating body,
A plurality of strain detectors provided on the first surface and the second surface, respectively, for detecting the strain of the strain generating portion;
Torque sensor with
前記第2の面に備えられて、前記起歪部に作用するせん断応力を検出する第5の歪ゲージ、第6の歪ゲージ、第7の歪ゲージ及び第8の歪ゲージと、を備え、
8アクティブ4ゲージ法の等価回路を構成する、請求項1に記載のトルクセンサ。 The plurality of strain detectors are provided on the first surface, and detect a shear stress acting on the strain generating portion. The first strain gauge, the second strain gauge, the third strain gauge, and the fourth strain gauge. The strain gauge of
A fifth strain gauge, a sixth strain gauge, a seventh strain gauge, and an eighth strain gauge, which are provided on the second surface and detect shear stress acting on the strain-generating portion;
The torque sensor according to claim 1, constituting an equivalent circuit of an 8-active 4-gauge method.
前記複数の歪検出部は、前記入力軸を中心に前記第1の接続部の対角位置に設けられた第3の接続部の前記第1の面に備えられた第5の歪検出部と、前記入力軸を中心に前記第2の接続部の対角位置に設けられた第4の接続部の前記第1の面に備えられた第6の歪検出部と、前記第3の接続部の前記第2の面に備えられた第7の歪検出部と、前記第4の接続部の前記第2の面に備えられた第8の歪検出部と、を含む、請求項6に記載のトルクセンサ。 The first connecting portion and the second connecting portion are connecting portions adjacent to each other in the direction around the axis of the input shaft,
The plurality of strain detection units include a fifth strain detection unit provided on the first surface of a third connection unit provided at a diagonal position of the first connection unit with the input shaft as a center. A sixth strain detector provided on the first surface of the fourth connecting portion provided at a diagonal position of the second connecting portion around the input shaft, and the third connecting portion. The 7th distortion detection part with which the said 2nd surface was equipped, and the 8th distortion detection part with which the said 2nd surface of the said 4th connection part was equipped. Torque sensor.
出力軸の回りに軸回転可能な第2の回転体と、
前記第1の回転体と前記第2の回転体とに渡って設けられ、前記入力軸に平行な第1の方向の一方側を向く第1の面、及び、前記第1の方向の他方側を向く第2の面を有し、前記第1の回転体及び前記第2の回転体の間で歪みを生じながら回転トルクを伝達する起歪部と、
前記第1の面及び前記第2の面にそれぞれ設けられて前記起歪部の歪みを検出する複数の歪検出部と、
前記第1の回転体及び前記第2の回転体のうちの少なくとも一方に固定されたエンコーダと、
を備えた、力制御型アクチュエータ。 A first rotating body capable of rotating about an input shaft;
A second rotating body rotatable about the output shaft;
A first surface provided across the first rotating body and the second rotating body and facing one side in a first direction parallel to the input shaft, and the other side in the first direction A strain generating portion that transmits a rotational torque while generating distortion between the first rotating body and the second rotating body,
A plurality of strain detectors provided on the first surface and the second surface, respectively, for detecting the strain of the strain generating portion;
An encoder fixed to at least one of the first rotating body and the second rotating body;
A force-controlled actuator with
前記エンコーダの少なくとも一部は、外周側に位置する前記第2の回転体の内周側に配置される、請求項16に記載の力制御型アクチュエータ。 The first rotating body and the second rotating body are provided concentrically with different diameters,
The force control type actuator according to claim 16, wherein at least a part of the encoder is disposed on an inner peripheral side of the second rotating body located on an outer peripheral side.
The encoder includes a circuit board disposed on the one side facing the first surface of the strain generating portion, and a magnetic disk disposed facing the other side facing the second surface of the strain generating portion. The force control type according to claim 18, further comprising: a magnetic field detecting element that is disposed between the plurality of connecting portions adjacent to each other in the direction around the axis of the input shaft and detects a magnetic field generated by the magnetic disk. Actuator.
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